Methodology for conducting experimental studies of material properties during electrochemical treatment

Вступ Розробка методики визначення параметрів імпульсного електрохімічного оброблення є необхідною передумовою для підвищення точності та відтворюваності процесів виготовлення високоточних деталей авіаційних двигунів і їхніх агрегатів. Основу такої методики становлять кількісні параметри анодного розчинення матеріалу заготовки у робочому електроліті під дією імпульсного електричного поля. На відміну від традиційних механічних способів оброблення, електрохімічна технологія дозволяє здійснювати зняття матеріалу без механічних зусиль і теплових пошкоджень поверхні, що є критично важливим для елементів зі складною просторовою геометрією та високими вимогами до якості поверхневого шару. Імпульсне електрохімічне оброблення (ІЕХО) має низку суттєвих переваг, які роблять його одним із найперспективніших методів для виготовлення високоточних деталей авіаційних двигунів та їх агрегатів. Завдяки імпульсному характеру подачі струму забезпечується точне керування локальними процесами анодного розчинення, що дозволяє досягати мікронної точності формоутворення. Відсутність механічного контакту між інструментом і заготовкою усуває ризик виникнення залишкових напружень, мікротріщин і термічних пошкоджень, зберігаючи вихідні фізико-механічні властивості матеріалу. Крім того, ІЕХО забезпечує високу чистоту поверхні, рівномірність зняття шару незалежно від твердості сплавів і дає можливість обробляти жароміцні та високолеговані матеріали, які важко піддаються традиційним методам різання. Використання імпульсних режимів сприяє покращенню стабільності процесу та підвищенню відтворюваності результатів, що є ключовими факторами для прецизійного виробництва деталей авіаційної техніки. Запропонована методика спрямована на усунення недоліків емпіричного підбору режимів, який наразі широко застосовується у промисловості та потребує значних витрат часу, матеріалів і ресурсів. Її основним завданням є визначення сукупності параметрів, що характеризують швидкість і стабільність видалення матеріалу, з урахуванням властивостей заготовки, складу електроліту та особливостей електрохімічної системи. Визначення цих параметрів дає змогу сформувати базу для раціонального призначення технологічних режимів ІЕХО, які забезпечують кероване формування мікрогеометрії обробленої поверхні. Ключовим елементом методики є поєднання експериментальних і цифрових підходів для побудови достовірної моделі процесу. У цьому контексті цифрові близнюки виступають як інструмент інтеграції даних про електричні, хімічні та гідродинамічні характеристики процесу, що дозволяє виявляти причинно-наслідкові зв’язки між параметрами імпульсного живлення, властивостями матеріалу та результатами оброблення. Такий підхід узгоджується з сучасними стандартами цифровізації виробництва, які регламентують створення ресурсоефективних цифрових моделей джерел енергії та процесів електрохімічної прецизійної обробки. Розроблювана методика передбачає визначення комплексу властивостей матеріалів, характеристик електроліту, параметрів видалення матеріалу та супровідних змін стану в міжелектродному проміжку. Отримані експериментальні й обчислювальні залежності формують основу для побудови цифрових близнюків процесу імпульсного електрохімічного оброблення, що, у свою чергу, забезпечує можливість адаптивного керування режимами, прогнозування результатів та оптимізації технологічних процесів у виробництві високоточних авіаційних компонентів. Інформаційною основою методики є стандарти DIN SPEC 91399: 2018-12. Methode zur Bestimmung von Prozesseingangsgrößen für das elektrochemische Präzisionsabtragen – Anforderungen, Kriterien, Festlegungen та VDE SPEC 90028 V1.0 Methode zur Erstellung digitalter Zwillinge von Prozessenergiequellen für das elektrochemische Präzisionsabtrage. 1. Сфера застосування Ця методика є інструментом для визначення характеристик матеріалів і параметрів імпульсного електрохімічного оброблення (ІЕХО) у межах стандартизованих процедур, визначених міжнародними технічними регламентами. Зокрема, вона може застосовуватись для проведення досліджень відповідно до вимог DIN SPEC 91399, який регламентує порядок визначення вхідних параметрів процесу прецизійної електрохімічної абляції з імпульсним струмом та контрольованою робочою відстанню. зазначений стандарт встановлює умови проведення експериментів, вимоги до точності вимірювань, а також послідовність етапів, необхідних для отримання достовірних характеристик ІЕХО. Одночасно методика узгоджується з положеннями VDE SPEC 90028 V1.0, що визначає вимоги до створення цифрових двійників процесів електрохімічного прецизійного оброблення. Вона передбачає опис експериментальної установки, характеристик електролітної системи та алгоритмів визначення функціональних зв’язків між електричними, фізико-хімічними та кінематичними змінними процесу. Застосування методики передбачає проведення експериментів у разі наявності у виконавчої організації імпульсного електрохімічного обладнання з технічними характеристиками не гіршими, ніж визначено у розділі 5.2.1.1, яке забезпечує стабільну генерацію імпульсів струму, регулювання робочої відстані та контроль електропровідності електроліту. Отримані результати можуть бути використані для оцінювання характеристик матеріалів, оброблюваних методом ІЕХО, визначення коефіцієнтів електрохімічної ефективності, побудови моделей видалення матеріалу, а також для створення цифрових близнюків ІЕХО з метою оптимізації режимів оброблення, прогнозування точності та забезпечення стабільності виробничих процесів у галузі авіаційного двигунобудування. 2. Нормативні посилання Перелік нормативних документів, на які посилається цей стандарт:  DIN 8580 - Виробничі процеси: терміни та визначення.  DIN 8590 - Виробничі процеси: механічна обробка — класифікація, підрозділи, терміни й визначення.  DIN EN ISO 25178-2 - Геометричні характеристики виробу: текстура поверхні (плоска). Частина 2 - терміни та характеристики поверхні.  DIN EN ISO 4287 - Геометричні характеристики виробу: текстура поверхні (метод щупа) — терміни, визначення та параметри поверхні. 3. Термінологія  Імпульсне електрохімічне прецизійне оброблення (ІЕХО): електрохімічне оброблення імпульсним постійним струмом та коливальним катодом або коливальним анодом (катод є інструментом, анод – заготовкою)  Вхідна змінна процесу: параметр налаштування верстата для ІЕХО, така як напруга обробки 𝑈, швидкість зниження 𝑣, частота імпульсів струму 𝑓 та ширина імпульсу струму 𝑡  Змінна процесу: значення, яке можна визначити для квазістаціонарного процесу  Ширина імпульсу струму, пов'язана з зарядом: Арифметичне значення, що виникає в результаті електричного заряду та середнього максимального електричного струму фактичного імпульсу струму  Середній максимальний електричний струм: Середнє арифметичне високого рівня імпульсу струму  Профіль струму процесу: Значення струму, що видаються виробничим обладнанням як функція тривалості процесу без відображення імпульсів струму  Тривалість процесу: Час від початку до кінця процесу видалення  Параметр видалення матеріалу: Значення, отримане з функцій видалення матеріалу, яке описує специфічні характеристики видалення матеріалу під час ІЕХО  Функція видалення матеріалу: Математична функція, отримана для опису видалення матеріалу під час ІЕХО зі зміною стану та робочої відстані  Швидкість видалення, специфічна для матеріалу: Результуюча швидкість видалення під час ІЕХО в одному просторовому напрямку  Зміна стану на робочій відстані: Зміна провідності на робочій відстані внаслідок впливу потоку електроліту та зміни його температури, пов'язаних з процесом, а також концентрації продуктів видалення та реакції  Локальна залежна від процесу електропровідність: Поточна електропровідність електроліту на робочій відстані між анодом і катодом під час процесу видалення  Робоча відстань: Відстань між катодом і анодом  Робочий зазор: Об'єм, що охоплюється поверхнею анода та поверхнею катода, а також відстань між цими поверхнями  Шлях потоку: Довжина шляху, пройденого електролітом на робочій відстані від входу до виходу у робочий зазор  Відстань зниження: Шлях пройдений під час процесу ІЕХО внаслідок відносного руху між катодом і анодом  Швидкість зниження: Швидкість відносного руху між катодом і анодом під час процесу обробки (Термін "швидкість подачі" не використовується у DIN SPEC 91399 та VDE SPEC 90028 V1.0, оскільки цей термін використовується в механічному обробленні). 4. Символи та скорочення Символ Опис Одиниці вимірювання 𝐴  Площа видалення cм² 𝐴    Ефективна поверхня катода в момент часу 1 cм² 𝐴    Ефективна поверхня катода в момент часу 2 cм² 𝑐 Робочий цикл - 𝑑 𝑃𝐾 Діаметр зразка мм 𝑑 𝐾 Діаметр катоду мм ℎ 𝑃𝐾 Висота зразка мм 𝑓  Частота імпульсів струму Гц 𝑓  Частота коливань електроду/заготовки Гц 𝐼 Сила струму A 𝐼  Цільовий струм процесу 𝐼  Середня сила струму А 𝐼  Середня максимальна сила електричного струму імпульсу струму A 𝐼  Середнє арифметичне струму процесу виробничого пристрою ІЕХО A 𝐼  Вихідний струм процесу виробничим пристроєм ІЕХО A 𝐼  Точка перетину лінеаризації 𝐼  з віссю 𝑌 A 𝐼  Значення зміщення струму для налаштування нульової точки A 𝐼  Сила струму в момент часу 1 A 𝐼  Сила струму в момент часу 2 A 𝐽 Густина електричного струму A/cм² 𝐽  Середня густина електричного струму A/cм² 𝐽  Мінімальна густина струму A/cм² 𝑀 Молярна маса г/моль 𝑚  Абляційна маса г 𝑚  Ефективна маса видалення г/Кл 𝑚  Питома маса видалення г/Кл 𝑉  Ефективний об’єм видалення мм 3 /Кл 𝑉  Питомий об’єм видалення мм 3 /К 𝑝  Тиск електроліту бар 𝑝  Тиск електроліту на вході бар 𝑄 Електричний заряд Кл 𝑟  Радіус промивного отвору мм 𝑠 Робоча відстань мм 𝑠  Початкова робоча відстань мм 𝑠  Фронтальна робоча відстань мм 𝑠    Початкова фронтальна робоча відстань мм 𝑠    Кінцева фронтальна робоча відстань мм 𝑅  Середня арифметична шорсткість згідно з DIN EN ISO 4287 мкм 𝑆  Середня арифметична шорсткість згідно з DIN EN ISO 25178-2 мкм 𝑚 Індекс номера каскаду генератора - 𝑛 Індекс ширини імпульсу струму - 𝑡  Ширина імпульсу струму мс 𝑡  Тривалість процесу с 𝑡  Час видалення с 𝑡    Ширина імпульсу струму, пов'язана з зарядом мс 𝑡  Ширина n-го імпульсу струму мс 𝑡   Ширина першого імпульсу струму мс 𝑡   Час після ввімкнення імпульсу струму мс 𝑡   Час вимкнення імпульсу струму мс 𝑡  Пауза імпульсу струму мс 𝑡   Нижня межа форми хвилі імпульсу струму мс 𝑡   Верхня межа форми хвилі імпульсу струму мс ∆ 𝑡    Відхилення ширини імпульсу струму, пов'язаної з зарядом, від ширини імпульсу струму мс 𝜑 Фаза імпульсу ° 𝑡  Час 1 с 𝑡  Час 2 с 𝑈  Напруга оброблення В 𝑈  Сума усіх перенапруг пограничних шарів на аноді та катоді В 𝑉󰇗 Об'ємна витрата л/хв 𝑉  Нахил характеристичної кривої 𝑣  – 𝐽 см³/Кл 𝑉    Нахил характеристичної кривої 𝑣  – 𝐽 см³/Кл 𝑣    Швидкість оброблення прецизійної абляції електрохімічним методом мм/хв 𝑣  Швидкість зниження мм/хв 𝑣  Перетин лінеаризації 𝑣  з віссю 𝑌 мм/хв 𝑣    Перетин лінеаризації 𝑣  з віссю 𝑌 мм/хв 𝑤 Масова частка солі - 𝑍 Амплітуда коливань мм 𝑧 Шлях зниження по осі 𝑍 мм 𝑧  Шлях зниження в момент часу 1 мм 𝑧  Шлях зниження в момент часу 2 мм 𝑥 Шлях потоку мм 𝑧  Електрохімічна валентність г/Кл 𝛼 Кут конуса катоду ° 𝜎  Електропровідність електроліту мС/см 𝜎    Електропровідність електроліту залежна від стану процесу мС/см 𝜗  Температура електроліту °C 𝜌 Густина маси г/мм 3 𝐹 Постійна Фарадея 9,64853*10 4 C/моль Скорочення Опис EC Електрохімічний GS Генераторний каскад UVMM Коефіцієнт перетворення відповідно до вибраного діапазону вимірювання датчика NaNO3 Нітрат натрію PDC Імпульсний постійний струм pH Потенціал водню 5 Порядок проведення експериментів з визначення характеристик матеріалів, необхідних для призначення режимів ІЕХО 5.1 Короткий опис Циліндричний зразок (анод) піддається анодному видаленню матеріалу з його торцевої поверхні за допомогою плоского катода, як показано на Рисунку 1. У процесі електрохімічного оброблення катод і анод розташовуються таким чином, щоб забезпечити рівномірний розподіл електричного поля в зазорі між ними, а подача електроліту здійснюється безперервно для ефективного видалення продуктів реакції з робочої зони. Для визначення швидкості анодного розчинення, яка залежить від фізико-хімічних властивостей матеріалу зразка, проводиться серія вимірювань швидкості занурення анода. Під час експерименту досягається стан рівноваги, коли швидкість видалення матеріалу анода точно відповідає швидкості поступального руху катода, що дозволяє однозначно визначити ефективну швидкість електрохімічного знімання матеріалу при заданих параметрах струму, напруги та електроліту. Додатково фіксуються основні електричні характеристики процесу — миттєве значення струму, середня густина струму, потенціал анода та кінцева робоча відстань між електродами. Ці дані використовуються для побудови залежностей між параметрами електрохімічного оброблення, умовами подачі електроліту та кінцевою якістю поверхні зразка, що забезпечує повну характеристику процесу і дозволяє призначати оптимальні режими ІЕХО для подібних матеріалів. Рисунок 1 – Схема експерименту з визначення характеристик матеріалів, необхідних для призначення режимів ІЕХО 5.2 Технічні вимоги 5.2.1 Обладнання для проведення досліджень з ІЕХО 5.2.1.1 Загальні положення Установка для прецизійного імпульсного електрохімічного оброблення з такими характеристиками:  Режим подачі електричної енергії. Обладнання повинно забезпечувати можливість оброблення в режимі подачі імпульсного постійного струму з регульованою шириною, частотою та амплітудою струму. Необхідно забезпечити незалежне регулювання параметрів імпульсів для відтворення різних енергетичних режимів оброблення. Джерело живлення має працювати у стабілізованому режимі з мінімальними коливаннями напруги (<1%) та мати можливість формування як прямокутних, так і трапецієподібних імпульсів. Повинна бути передбачена функція синхронізації імпульсів струму з механічними коливаннями подачі катоду.  Система подачі електроду. Система подачі катоду повинна забезпечувати можливість накладення на зниження катоду контрольованих повздовжніх гармонічних коливань з заданою амплітудою ZZZ та частотою. Частота коливань повинна збігатися з частотою імпульсів струму, що дозволяє реалізувати синхронне електромеханічне збурення робочого зазору. Конструкція механічного вузла має забезпечувати мікропозиціювання катоду з точністю не гірше ±1 мкм, а також стабільність відстані між електродами під час усіх фаз ІЕХО.  Система подачі електроліту. Установка має забезпечувати контрольований потік електроліту через міжелектродний зазор із регульованою швидкістю подачі. Повинні бути забезпечені вимірювання температури, провідності та pH електроліту під час процесу. Необхідно передбачити систему стабілізації температури розчину з точністю підтримання ±0,5 °C для забезпечення повторюваності результатів.  Система вимірювання змінних параметрів процесу. Для проведення наукових експериментів необхідна високоточна система реєстрації електричних і фізичних змінних з точністю не гіршій ніж задана в таблиці 1. Дані повинні реєструватися системою збору даних із можливістю зберігання для подальшої обробки. Вимірювальна система має бути інтегрована з системою керування імпульсним генератором для аналізу часових затримок і фазових зсувів між електричними та механічними процесами.  Система керування та аналізу даних. Програмно-апаратний комплекс має включати інтерфейс для налаштування параметрів імпульсів струму, частоти коливань, швидкості зниження та режимів подачі електроліту. Повинна бути реалізована можливість автоматичного збору та візуалізації даних у реальному часі, побудови осцилограм і діаграм залежності струму, напруги, температури та переміщення електродів від часу.  Додаткові вимоги. Установка повинна бути сумісна з вимогами електробезпеки для роботи з водними електролітами, мати систему заземлення, аварійного вимкнення та захисту від перевищення струму. Усі елементи, що контактують із електролітом, мають бути виготовлені з корозійностійких матеріалів. Типові діапазони значень та допуски вхідних змінних процесу наведено в таблиці 1. Рекомендовані вхідні змінні процесу наведено в додатку А. Таблиця 1 - Діапазони значень та допуски на вхідні змінні ІЕХО Назва Символ Типовий діапазон зміни величини Рекомендоване максимальне відхилення в процесі Напруга обробки 𝑈  5 V … 20 В ±0,1 В Ширина імпульсу струму 𝑡  1 мс … 5 мс ±0,1 мс Частота імпульсу струму 𝑓  10 Гц … 60 Гц ±0,5 Гц Частота коливань 𝑓  10 Гц … 60 Гц ±0,5 Гц Амплітуда коливань 𝑍 0,1 мм … 0,5 мм ±0,01 мм Переміщення по осі Z 𝑧 ≤ 150 мм ±0,01 мм Швидкість зниження 𝑣  0,007 мм/хв … 1 мм/хв ±0,002 мм/хв Тип електроліту Водяний розчин NaNO3 Масова частка солі 𝑤 1 % … 20 % ±0,01 % Провідність електроліту 𝜎  10 мС/см … 170 мС/см ±1 % Температура електроліту 𝜗  18 °C … 30 °C ±0,1 °C Тиск електроліту 𝑝  < 5 бар ±0,1 бар Значення pH 6 … 8 ±0,5 Об'ємна витрата на 1 см² обробленої площі 𝑉 󰇗 𝐴  (1,5 л/хв … 3,0 л/хв) / см² (±0,2 л/хв) / см² 5.2.1.2 Струм оброблення Електрохімічна установка повинна мати можливість записувати, відображати та виводити струм процесу як функцію 𝐼 =𝑓(𝑡) з допуском ±0,1 А. Видача окремих імпульсів струму не є обов'язковою. Струм процесу може бути середнім значенням максимальної інтенсивності струму безперервних імпульсів струму за крок у часі. Крок у часі не повинен перевищувати 0,5 с. Крім того, для діапазону струму процесу від 10 А до 200 А необхідно забезпечити допуски на ширину та частоту імпульсів струму згідно з вимогами, наведеними у Таблиці 1. 5.2.1.3 Фронтальна робоча відстань Розрізняють початкову робочу відстань переднього шару, яка встановлюється між катодом і зразком на початку експерименту з електрохімічного видалення матеріалу, і кінцеву робочу відстань переднього шару, яка визначається після завершення експерименту. Рекомендується визначати робочі відстані переднього шару 𝒔𝑭 з допуском ±0,004 мм. Якщо кінцева робоча відстань фронтального шару визначається за допомогою електричного контактного зондування, вона дорівнює різниці між кінцевим положенням осі 𝒁 після експерименту з електрохімічного видалення та положенням електричного контакту катоду та зразка. Для цього визначення катод має бути розташований у нижній мертвій точці коливального руху. 5.2.2 Пристосування для визначення характеристик матеріалу, необхідних для призначення режимів ІЕХО На рисунку 2 показано схематичне зображення пристосування для електрохімічного оброблення, що включає розташування електродів, описане в розділі 5.1. Пристосування складається з трьох основних компонентів: системи затискання катоду, системи затискання зразка та камери для промивання. Воно забезпечує вирівнювання торцевих поверхонь катода та зразка таким чином, щоб обидві торцеві поверхні були розташовані соосно з допуском ±0,01 мм та паралельно з допуском ±0,01 мм. Застосовується наступне:  Система затискання катода використовується для фіксації та позиціонування катоду та забезпечує електричний контакт з боку катода.  Система затискання зразка використовується для фіксації та позиціонування зразка та забезпечує контакт з боку анода. Рисунок 2 — Схематичне зображення пристосування для електрохімічного оброблення  Катод і випробуваний зразок з'єднані електроізольованою камерою, що створює потенційне розділення. Камера має вхід та вихід для електроліту для створення примусового перехресного промивання між торцевими поверхнями катода та визначається згідно з рівнянням (9). 𝑣 − = 𝑣 (9) Потім визначається характеристика видалення матеріалу 𝑣 = 𝑓(𝐽). Для цього швидкості обробки зображуються як функція густини струму 𝐽 на діаграмі 𝑣 −𝐽. Очікувані криві характеристик показані та класифіковані як приклади на рисунку 5.  Для типу A та типу D характеристики видалення матеріалу є лінійною залежністю між швидкістю видалення матеріалу та густиною струму;  Типи від A до типу C називаються активним видаленням матеріалу. Процес розчинення не гальмується згідно з [3, 5];  Типи від D до типу F називаються транспасивним видаленням матеріалу. Процес розчинення гальмується та відбувається після досягнення мінімальної густини струму 𝐽 [3, 5];  Криві видалення матеріалу згідно з типом B, типом C, типом E та типом F показують, що можуть виникнути різні зміни нахилів функцій та різні точки перетину з ординатою. Окремі функціональні залежності потім поділяються на функціональні області. Кожна функціональна область визначає діапазон густини струму. Функціональні залежності виводяться для визначених функціональних областей. Рисунок 5 — Швидкість обробки як функція густини струму згідно [3] Рекомендується використовувати лінійні функції згідно з рівнянням (10). Визначені функції слід представити в таблиці 3. Швидкість видалення матеріалу 𝑉 матеріалу для прецизійної електрохімічної обробки з використанням частоти імпульсів струму та ширини імпульсу струму для відповідного функціонального діапазону визначена в Таблиці 3. Для транспасивного видалення матеріалу відповідно до типу D - типу F існує мінімальна густина струму J_min, необхідна для досягнення значного видалення матеріалу. Мінімальна густина струму являє собою найменшу досяжну густину струму для експериментів з видалення матеріалу і може бути приблизно визначена для прецизійної електрохімічної обробки за допомогою рівняння (11) [4]. Таблиця 3 -Зведення параметрів видалення матеріалу залежно від функціональних діапазонів Функціональні зони 𝑱 , А/см2 𝒗 𝒎  𝑷𝑫𝑪 , (мм/хв)/(А/см2) 𝒗 𝟎  𝑷𝑫𝑪 , мм/хв 1 𝐽  − 𝐽  𝑣     𝑣     … … … … 𝑛 𝐽  − 𝐽    𝑣    𝑣    Для визначення необхідної швидкості зниження 𝑣 для експериментальної реалізації прецизійної електромеханічної обробки параметри видалення матеріалу для очікуваного функціонального діапазону з Таблиці 3 необхідно підставити в рівняння (10). Слід зазначити, що параметри видалення матеріалу, визначені в Таблиці 3, застосовуються до значень частоти імпульсів струму та ширини імпульсу струму, що використовуються в експерименті з видалення матеріалу. У Додатку C представлено підхід до визначення параметрів видалення матеріалу для електрохімічної обробки безперервним постійним струмом. Це дозволяє приблизно визначити швидкість обробки постійним струмом та приблизно визначити швидкість для прецизійної електрохімічної обробки струмом з будь-якою частотою імпульсів струму та шириною імпульсу струму. 5.6.3 Визначення залежної від стану процесу провідності Щоб визначити залежну від стану процесу провідність для прецизійного видалення металу електрохімічним методом, спочатку необхідно визначити характеристику видалення матеріалу 𝑈= 𝑓(𝐽,𝑠). Для цього експерименти з видалення металу, виконані відповідно до 5.5.2 групуються за швидкістю зниження, а кожній групі призначається принаймні три експерименти. Для згрупованих експериментів з видалення металу густина струму 𝐽 визначається шляхом усереднення досягнутих густин струму 𝐽 в експериментах. Потім використані напруги обробки будуються як функція кінцевих робочих відстаней, отриманих в результаті експерименту з видалення металу для усередненої густини струму (Рисунок 6). Рисунок 6 — Отримання залежностей 𝑈= 𝑓(𝐽,𝑠) Функціональне співвідношення визначається для кожної усередненої густини струму. Рекомендується використовувати лінійну функцію згідно з рівнянням (12). Визначені функціональні значення слід задокументувати в таблиці 4. Таблиця 4 — Огляд значень функції 𝑈= 𝑓(𝐽,𝑠) як функції густини струму Кількість функцій 𝑱 , А/см2 ∆ 𝑼 𝒒 ∆ 𝒔 𝑭  𝑬 , B/мм 𝑼 𝟎 , В 1 𝐽   ∆ 𝑼 𝒒 ∆ 𝒔 𝑭  𝑬   𝑈  … … … … 𝑛 𝐽   ∆ 𝑼 𝒒 ∆ 𝒔 𝑭  𝑬   𝑈   Згодом, функціональні залежності нахилу ∆𝑼𝒒∆𝒔𝑭𝑬 ⁄ та точки перетину 𝑈 визначаються як функція густини струму 𝐽. Для цього визначені нахили та точки перетину відображаються на графіку як функція густини струму (Рисунок 7). Рисунок 7 — Нахили та перетини з кривою функції Uq = f(sF-E) як функції густини струму Характеристична крива ерозії може містити функціональні зміни, як показано на рисунку 7, що призводить до різних нахилів функції. У цьому випадку окремі функціональні залежності поділяються на функціональні області. Кожна функціональна область визначає область густини струму. Функціональні залежності виводяться для визначених функціональних областей. Рекомендується використовувати лінійні функції. Вони визначені для нахилу відповідно до рівняння (13) та для перетину з кривою відповідно до рівняння (14). Визначені функції слід документувати відповідно до таблиці 5. Таблиця 5 — Зведення значень функцій нахилу та перетину з віссю залежно від діапазону функцій Функціональна зона 𝑱 , А/см2 𝑿 𝟏 , В мм ⁄ А см 𝟐 ⁄ 𝑿 𝟐 , В/мм 𝑿 𝟑 , В/(А/см2) 𝑿 𝟒 , В 1 𝐽  𝑋  𝑋  𝑋  𝑋  … … … … … … 𝑛 𝐽  𝑋   𝑋   𝑋   𝑋   Напругу обробки 𝑈 можна визначити як функцію кінцевої фронтальної робочої відстані та середньої густини струму для функціонального діапазону в таблиці 3 відповідно до рівняння (15) для прецизійної обробки електрохімічним способом [4]. (15) Зі значення 𝑋 можна визначити суму всіх перенапруг на межі електродів 𝑈. Згідно з рівнянням (16), визначається залежна від стану процесу провідність [4] Цей функціональний зв'язок дозволяє розрахувати та графічно відобразити залежну від стану процесу провідність як функцію кінцевої фронтальної робочої відстані та густини струму. Під час перенесення функцій видалення напруги обробки 𝑈= 𝑓(𝑠,𝐽) та залежної від стану процесу провідності 𝜎 = 𝑓(𝑠,𝐽) до відповідного застосування необхідно враховувати довжину потоку електроліту та шлях потоку електроліту. 6 Вимоги до створення цифрових двійників процесів електрохімічного прецизійного оброблення 6.1 Короткий опис Для створення цифрових двійників джерел технологічної енергії, що використовуються в процесах ІЕХО, необхідно отримати достовірні експериментальні дані, які відображають реальний перебіг процесу. Одним із ключових параметрів ІЕХО є електричний струм, що формується виробничим обладнанням і безпосередньо визначає ефективність, стабільність та точність знімання матеріалу. Для цього струм процесу вимірюється за допомогою зовнішнього високочутливого датчика, що підключається у вимірювальне коло без порушення умов проведення експерименту. Отримані часові залежності струму дозволяють ідентифікувати динамічні особливості джерела живлення, у тому числі поведінку струму під час наростання, спадання та повторення імпульсів. У типовому експерименті для визначення характеристик процесу обробляється циліндричний зразок за допомогою конічного катоду (Рисунок 8). Завдяки конічній формі катоду, площа міжелектродного контакту поступово зростає під час переміщення електрода, що призводить до безперервного збільшення струму процесу. Така залежність дає змогу проаналізувати взаємозв’язок між геометричними параметрами системи, шляхом обробки та амплітудою струму. Для більш глибокої ідентифікації процесу визначається повний електричний заряд, що проходить через систему, а також оцінюється тривалість окремих імпульсів струму. Після цього експериментальні дані порівнюються з вихідними характеристиками джерела живлення виробничого обладнання, включно з формою кривої струму та встановленими параметрами імпульсів. Такий порівняльний аналіз дозволяє встановити ступінь відповідності реального процесу заданим технологічним режимам і виявити нелінійності або часові затримки у формуванні імпульсів. На основі отриманих результатів будується система функціональних залежностей між параметрами струму, напругою, зарядом та часовими інтервалами, які апроксимуються у вигляді математичних функцій. Ці функції використовуються для побудови цифрових двійників джерел технологічної енергії, здатних відтворювати електрофізичні процеси в режимі симуляції, що є основою для подальшої оптимізації технологічних режимів ІЕХО. Рисунок 8 – Принципова схема розташування електродів в експерименті з абляції 6.2 Технічні вимоги 6.2.1 Установка для електрохімічного оброблення Технічні вимоги до обладнання для проведення експериментів з побудови цифрових близнюків джерел струму відповідають вимогам розділу 5.2.1.1 Типові діапазони значень та допуски для параметрів процесу наведено в таблиці 1. Рекомендовані параметри процесу наведено в додатку Е. 6.2.2 Струм процесу та каскад генератора Вимоги до системи електроживлення, включаючи можливості вимірювання та запису параметрів струму, наведено у розділі 5.2.1.2. У випадку, коли джерело енергії процесу виробничого обладнання для електрохімічного виробництва вмикає різні каскади генератора залежно від рівня струму, виробниче обладнання для ІЕХО повинно мати можливість відображати та виводити інформацію щодо використаного каскаду генератора. 6.3 Пристосування для проведення експериментів На рис. 9 показано схематичне зображення пристосування для проведення експериментів, що включає компонування електродів, описане в розділі 6.1. Пристосування складається з трьох основних компонентів: системи закріплення катода, системи закріплення зразка та камери промивки. Воно забезпечує вирівнювання торцевих поверхонь катода та зразка таким чином, щоб обидві торцеві поверхні були розташовані співвісно з допуском ±0,01 мм та паралельно з допуском ±0,01 мм. Застосовується наступне:  Система закріплення катода фіксує та позиціонує катод і забезпечує електричний контакт для подачі електроживлення.  Система закріплення зразка фіксує та позиціонує зразок і забезпечує електричний контакт для подачі електроживлення. Система закріплення зразка подає електроліт для створення примусового промивання робочого зазору. Для цього зразок має промивний отвір.  Системи закріплення катода та зразка з'єднані електроізолюючою промивною камерою, що забезпечує розділення потенціалів. Камера промивки має два виходи для електроліту. У камері можна досягти тиску електроліту до 10 бар. Камера промивки має бути постійно з'єднана з катодом. Відносний рух між катодом та анодом призводить до постійного зміщення камери на затискних системах. Для зменшення витоків електроліту необхідно використовувати ущільнення. Рисунок 9 – Схематичне зображення пристрою для електрохімічного оброблення 6.4 Система вимірювань Система вимірювань має бути оснащена датчиком та пристроєм для перегляду та запису. Для цієї мети можна використовувати струмові кліщі та осцилограф із запам'ятовуванням. Технічні характеристики перетворювача для вимірювання форми імпульсу струму такі:  Охоплення визначеного для оброблення діапазону вимірюваного струму  Отримання діапазону значень, що вимірюються, для тривалості імпульсів струму; типові діапазони значень становлять від 1 мс до 5 мс (таблиця 1)  Регульований час синхронізації з виробничим електрохімічним обладнанням  Зберігання записаних імпульсів струму. Рекомендовані властивості перетворювача наведено як приклади в таблиці 6. Таблиця 6 – Рекомендовані характеристики системи вимірювання для діапазону струму від 10 А до 400 А Назва параметру Рекомендовані властивості Тип струму Імпульсний постійний струм Діапазон струму 10 A … 400 A Чутливість для 0,5 A > I ≤ 150 A 10 mV/A Чутливість для 150 A > I ≤ 400 A 1 mV/A Компенсація нуля постійного струму автоматична Смуга пропускання для імпульсного постійного струму 30 kHz Час наростання (від 10 до 90%) ≤ 11 µs Час спаду (від 90 до 10%) ≤ 11 µs Час затримки при 10% ≤ 10 µs Власні невизначеності для 0,5 A > I ≤ 150 A ≤ ±1,5% значення показання Власні невизначеності для 150 A > I ≤ 400 A ≤ ± 2,5% значення показання Частота дискретизації Щонайменше 5 мс/с для тривалості імпульсу струму 1 мс; тривалість запису 10 000 точок 6.5 Випробувальний зразок та катод 6.5.1. Форма та розміри Форма, розміри та допуски випробувальних зразків і катоду для досягнення діапазону струму від 10 А до 300 А при середній густині струму 60 А/см² показані на рисунках 10 та 11 як приклади. Для проведення експериментів розміри можна регулювати. Конічна поверхня катода впливає на діапазон струму, який потрібно досягти, та збільшення струму на відстані зниження. Крім того, висота випробувальних зразків повинна бути адаптована до досягнутої відстані зниження. Випробувальні зразки мають промивний отвір у центрі. Діаметр промивного отвору становить щонайменше 2 мм. Діапазон вимірюваного струму можна приблизно визначити за заглибленою поверхнею конуса катода як функцію глибини занурення згідно з рівнянням (17). (17) Рисунок 10 – Розміри випробувальних зразків Рисунок 11 – Розміри катоду 6.5.2. Кількість зразків Для визначення діапазону струму для вибраної ширини імпульсу струму зазвичай достатньо одного випробувального зразка. Досліджуваний зразок обробляється за допомогою одного експерименту з абляції. Дані збираються під час експерименту. Випробувальний зразок також може бути оброблений за допомогою послідовних експериментів з абляції. Для кожної додаткової ширини імпульсу струму, яку потрібно дослідити, необхідно використовувати новий випробувальний зразок. Для експериментів з абляції потрібен катод. У разі короткого замикання під час експерименту з абляції заміна катода та випробувального зразка не є обов'язковою. 6.5.3. Матеріал зразків Як матеріал зразка слід використовувати аустенітну нержавіючу сталь 1.4301 або її аналог (08Х18Н10Т або 12Х18Н10Т), оскільки VDE SPEC для цього матеріалу враховує специфічні для матеріалу функції видалення під час розробки експериментів з видалення. Як матеріал зразка можна використовувати той самий матеріал, який буде використано в подальшому виробництві, за умови, що функції видалення матеріалу під час ІЕХО попередньо встановлені за описаною у розділі 5 методикою. 6.5.4. Підготовка зразків Перед експериментом з видалення матеріалу зразки необхідно знежирити, очистити та висушити. Необхідно переконатися, що зразки не мають задирок. 6.5.5. Матеріал катода Як катодний матеріал може бути використана нержавіюча аустенітна сталь 1.4301 чи її аналог (08Х18Н10Т або 12Х18Н10Т). Як матеріал катода може також використовуватися той самий матеріал, який застосовується у подальшому виробництві. 6.6. Експерименти зі зняття матеріалу 6.6.1. Загальні положення Експеримент з видалення матеріалу використовується для збору даних під час процесу видалення матеріалу методом ІЕХО. Видалення матеріалу характеризується ефективною швидкістю зниження та бажаною відстанню зниження. Під час процесу видалення матеріалу слід виміряти щонайменше 10 імпульсів струму з різною інтенсивністю струму. Діапазони значень вхідних змінних процесу базуються на Таблиці 1. Для експериментів з видалення матеріалу напруга обробки, частота імпульсів струму, відстань занурення та ефективна середня густина струму встановлюються на одне значення. Рекомендується використовувати напругу обробки 10 В, частоту імпульсів струму 50 Гц, відстань занурення 14,5 мм та середню густину струму 60 А/см². Ширина імпульсу струму визначається на основі діапазону значень виробничого обладнання ІЕХО. Рекомендується вибрати щонайменше дві цілочисельні ширини імпульсу струму. Для кожної ширини імпульсу струму необхідно спланувати експеримент з видалення матеріалу відповідно до 6.6.2 та провести відповідно до 6.6.4. Для цієї мети необхідно використовувати новий випробувальний зразок. Швидкість зниження визначається розрахунком згідно з 6.6.2. 6.6.2 Визначення вхідних змінних процесу Вхідні змінні процесу визначаються відповідно до методики описаної у розділі 5. Швидкість опускання vf розраховується з урахуванням кута конуса α катодів згідно з рівнянням (2). (18) Якщо відомі функції видалення матеріалу заготовки у вибраній комбінації з електролітом та матеріалом катода для електрохімічної обробки безперервним постійним струмом, швидкість зенкування 𝑣 для прецизійної електрохімічної обробки розраховується за рівнянням (19) [1, 4]. (19) Якщо функція видалення для прецизійного ІЕХО з фіксованою частотою імпульсів струму та шириною імпульсу струму доступна згідно з рівнянням (19), швидкість зниження повинна визначатися згідно з рівнянням 20 [1, 4] (20) Якщо як матеріал зразка та як матеріал катода використовується аустенітна нержавіюча сталь 1.4301 чи її аналог (08Х18Н10Т або 12Х18Н10Т), значення з таблиці 7 можна використовувати для розрахунку швидкості просідання для прецизійної електромеханічної обробки за допомогою рівняння (19). Таблиця 7 – Значення функції видалення матеріалу заготовки 1.4301 [4] Розміри Jm Vm v0 Одиниця вимірювання 𝐴 см  ⁄ мм хв А см   мм хв Зона видалення 1 9 – 55 0,0106 -0,063 Зона видалення 2 55 - 107 0,0116 -0,032 Розраховані змінні процесу призводять до експериментальної матриці згідно з таблицею 8. Таблиця 8 – Матриця експерименту для різної тривалості імпульсів струму Параметр Одиниці Експеримент 1 Експеримент 2 … Експеримент n Задані величини tp ms 𝑡 p1 𝑡 p2 … 𝑡 pn 𝑉 m, 𝑣 0, 𝑓 p, 𝐽 m, Uq, α vf mm/min 𝑣 f1 𝑣 f2 … 𝑣 fn 6.6.3 Підключення системи вимірювань Перед проведенням експерименту з абляції датчик необхідно підключити, щоб забезпечити правильне вимірювання струму та його напрямок відповідно до специфікацій виробника. Крім того, для подальшого призначення реєструючий пристрій датчика має бути синхронізований з електрообладнанням для ІЕХО. Час реєструючого пристрою має бути налаштований відповідно до часу електрообладнання для ІЕХО. 6.6.4 Проведення експерименту з абляції Експеримент з абляції запускається з використанням заданих вхідних змінних процесу. Під час експерименту з абляції виміряні значення записуються у заданих точках вимірювання відповідно до пункту 6.6.5. Тиск промивання можна регулювати під час експерименту з абляції. Щоб скоротити час абляції, абляцію між точками вимірювання можна виконувати з більшою шириною імпульсу струму та швидкістю зниження для ширини імпульсу струму менше 4 мс. Використовуючи геометрію катоду, показану на рисунку 11, та матеріал зразка 1.4301 (чи аналог з визначеними параметрами), рекомендується використовувати ширину імпульсу струму 4 мс та швидкість зниження 0,266 мм/хв. Важливо переконатися, що задані вхідні параметри процесу скинуті до досягнення наступної точки вимірювання. Коригування слід виконати щонайменше на 200 мкм до досягнення заданої відстані занурення. Експеримент з видалення матеріалу вважається завершеним, коли конічна поверхня катода повністю занурена, а струм процесу більше не збільшується. Якщо необхідний максимальний струм процесу не досягнуто, рекомендується збільшити напругу обробки або повторити експеримент з видаленням з катодом з більшою площею поверхні. 6.6.5. Збір вимірювальних даних Під час абляційного експерименту струм процесу збільшується зі зниженням конічного катода. Імпульсний струм вимірюється у визначених точках вимірювання. Точками вимірювання можуть бути задані відстані зниження або задані струми процесу (Рисунок 12). Додаток A (інформативний) Рекомендовані вхідні дані процесу Таблиця A.1 — Рекомендовані вхідні дані процесу для Таблиці 1 Параметр Символ Діапазон зміни Напруга обробки 𝑈  5 В … 20 В Ширина імпульсу струму 𝑡  1 мс … 5 мс Частота імпульсу струму 𝑓  50 Гц Частота коливань 𝑓  50 Гц Амплітуда коливань 𝑍 0,37 mm Переміщення по осі Z 𝑧 max. 1,2 мм Швидкість опускання 𝑣  0,007 мм/хв … 0,5 мм/хв Тип електроліту Водяний розчин NaNO3 Масова частка солі 𝑤 ca. 8 % Провідність електроліту 𝜎  70 мС/см Температура електроліту 𝜗  20 °C Тиск електроліту 𝑝  3,1 бар ( Вхідний пристрій ) Значення pH 7 Об'ємний потік при 1,13 см² згідно з рисунком 3 𝑉󰇗 2,8 л/хв Додаток Б (інформативний) Рекомендована конструкція пристосування для визначення характеристик матеріалів для призначення режимів ІЕХО Додаток B (Інформативний) Рекомендований запис змінних процесу Таблиця B.1 — Огляд необхідних змінних процесу для серії аналізів (із прикладами значень) № експ. vf [мм/хв] Uq [В] fp [Гц] tp [мс] sF-E [мм] I [A] J [A/см²] σel [С/см] VV01 0,007 5,5 50 4 0,915 3,06 2,71 66,3 … … … … … … … … … Додаток Г (інформативний) Визначення параметрів видалення матеріалу для ІЕХО безперервним постійним струмом Щоб приблизно визначити параметри видалення матеріалу для електрохімічної обробки безперервним постійним струмом на основі результатів серії аналізів, спочатку необхідно визначити швидкість видалення матеріалу 𝑣 згідно з рівнянням (Г1). Для цього швидкість різання ділиться на добуток поточної частоти імпульсів та поточної ширини імпульсу [4]. (Г1) Потім визначається характеристика видалення матеріалу 𝑣= 𝑓(𝐽). Для цього розраховані швидкості видалення матеріалу відображаються як функція густини струму 𝐽 на діаграмі 𝑣−𝐽. Залежно від видалення матеріалу, можна очікувати характеристики видалення матеріалу, показані на рисунку Г-1. Рисунок Г.1 — Швидкість видалення як функція густини струму згідно з [3] Функції видалення повинні бути визначені згідно з рівнянням (Г2) для відповідної функціональної області та задокументовані згідно з таблицею Г.1. (Г2) Швидкість видалення матеріалу 𝑉 за умов постійного струму можна визначити з таблиці Г.1 для відповідного функціонального діапазону. Для транспасивного видалення матеріалу відповідно до типу D - типу F мінімальну густину струму можна приблизно визначити за допомогою рівняння (Г3). (Г3) Використовуючи параметри видалення матеріалу з таблиці Г.1, можна також приблизно визначити швидкість прорізання 𝑣 для прецизійної електрохімічної обробки з будь-якою частотою імпульсів струму та шириною імпульсу струму. Для цього необхідно використовувати параметри видалення матеріалу для очікуваного функціонального діапазону з таблиці Г.1 та рівняння (6). Через різні струми та умови промивання електроліту, функції можна лише приблизно перенести на електрохімічну обробку імпульсним постійним струмом. Таблиця Г.1 — Зведена інформація про параметри видалення матеріалу для функціональних зон, що відповідають конкретним матеріалам Функціональні зони 𝑱 , А/см2 𝒗 𝒎 , (мм/хв)/(А/см2) 𝒗 𝟎 , мм/хв 1 𝐽  − 𝐽  𝑣   𝑣  … … … … 𝑛 𝐽  − 𝐽    𝑣  𝑣   Додаток Д (нормативний) Зображення зовнішнього вигляду поверхні Оброблені зразки висотою 40 мм згідно з 5.5.3 сортуються та оцінюються відповідно до густини струму J. Зразки слід сортувати за допомогою діаграми, як показано на рисунку Д.1. Досяжний оптичний вигляд, такий як колір та блиск, потім можна охарактеризувати на основі оброблених поверхонь. Рисунок Д.1 — Зведення оброблених поверхонь як функції густини струму Крім того, параметри шорсткості оброблених поверхонь вимірюються відповідно до DIN EN ISO 25178-2 та DIN EN ISO 4287, а параметри шорсткості відображаються на діаграмі як функція густини струму. Параметром шорсткості, який потрібно визначити, є середнє арифметичне значення шорсткості 𝑅 або середнє арифметичне значення шорсткості 3Dпараметра 𝑆. Крім того, можна виміряти інші параметри шорсткості. На рисунку Д.2 показано приклад середнього арифметичного значення шорсткості 3D-параметра 𝑆 як середнього значення як функції густини струму. Рисунок Д.2 — Параметр шорсткості як функція густини струму Додаток Е (нормативний) Рекомендовані вхідні змінні процесу Таблиця Е1 – Рекомендовані вхідні змінні процесу Параметр Символ Величина Напруга обробки Uq 10 V Частота імпульсів струму fp 50 Hz Частота коливань fz 50 Hz Амплітуда коливань Z 0,2 mm Початкова робоча відстань s0 50 µm Переміщення по осі Z z ≤ 14,5 mm Тип електроліту NaNO3 Масова частка солі w 8 % Провідність електроліту σel 67 mS/cm Температура електроліту ϑel 19,7 °C Тиск електроліту pel 3 bar … 8 bar Значення pH 7,9 Об'ємна витрата 𝑉  1,5 l/min Додаток Є (нормативний) Рекомендований запис змінних процесу Таблиця Є1 – Огляд необхідних змінних процесу для збору даних у точці вимірювання (із прикладами значень) Точка вимірювання vf 󰇣 𝑚𝑚 𝑚𝑖𝑛 󰇤 Uq [V] fp [Hz] tp [ms] Uhrzeit tProz [s] z [mm] IProz [A] GS UVMM [mV/A] MP01 0,315 13,3 50 4,0 12:37 300 -1,5 126 2 10 … … … … … … … … … … … Таблиця Є2 – Огляд необхідних змінних процесу для визначення кореляційних функцій (із прикладами значень) Точка вимірювання tp [ms] tProz [s] z [mm] IProz [A] GS ImProz [A] Immax [A] tp-I [ms] Δtp-I [ms] MP01 4,0 300 -1,5 126 2 126,6 119,8 3,802 -0,198 … … … … … … … … … … Література 1. G. Meichsner, M. Hackert-Oschätzchen, M. Krönert, J. Edelmann, A. Schubert, M. Putz: Fast Determination of the Material Removal Characteristics in Pulsed Electrochemical Machining, In: Procedia CIRP, 7th HPC 2016 – CIRP Conference on High Performance Cutting, Volume 46, 2016, S. 123-126, DOI:10.1016/j.procir.2016.03.175 2. F. Klocke, W. König: Fertigungsverfahren Band 3; Abtragen, Generieren und Lasermaterialbearbeitung, Springer Verlag, 2007. - ISBN 978-3-540-48954-2 3. H.P. Lindenlauf: Werkstoffe und elektrolytspezifische Einflüsse auf die elektrochemische Senkbarkeit ausgewählter Stähle und Nickellegierungen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Dissertation, 1977 4. G. Meichsner: Entwicklung und Realisierung einer Methode zur Bestimmung von Prozesseingangsgrößen für das elektrochemische Präzisionsabtragen (Dissertation), In: Schubert, A. (Hrsg.): Scripts Precision and Microproduction Engineering, Band 12. Verlag Wissenschaftliche Scripten, 2018, ISBN 978-3-95735-087-9 5. W. Degner: Elektrochemische Metallbearbeitung, VEB Verlag Technik, 1984 6. N.N.: Wörterbuch - Deutsche Online-Ausgabe des IEV der DKE. DKE-IEV, URL: https://www2.dke.de/de/Online-Service/DKE-IEV/Seiten/IEV-Woerterbuch.aspx, zuletzt geprüft am 14.09.2018